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AI4S Lab:一文读懂自动化实验室

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2023年11月29日,《Nature》在同一天刊出两篇论文:一篇是Google DeepMind的GNoME,用深度学习大规模预测稳定晶体;另一篇来自劳伦斯伯克利国家实验室:一个名叫A-Lab的自主实验室连续运转17天,报告从58个目标里合成出41个化合物。


不到一个月后,卡内基梅隆大学的Coscientist再登《Nature》:一个GPT-4驱动的系统,把查文献、写代码、指挥自动化实验串成了一条链。两年多过去,这个故事有了后续。2026年1月,A-Lab论文刊发作者更正,作者人工重新分析数据后确认,40个报告成功案例中36个结论成立、4个不确定。热潮与质疑几乎同时到场,这大概就是「自动化实验室」这条赛道眼下的真实处境。


当AI for Science的讨论大多围着模型转的时候,有个问题始终绕不开:模型再强,实验谁来做,数据从哪来?

答案还是要回到实验室,回到那个以手工移液、人工记录为主的地方。

所谓自动化实验室,就是把机器人、软件和AI重新组织进实验流程的这条赛道。它不算新,被行业史记为第一个实验室机器人系统的Zymate 1,1981年就已经出现。但它确实在变,从「自动执行人设计好的流程」,慢慢走向「由算法决定下一个实验做什么」。

本篇文章尝试回答三个问题:这是一条什么样的赛道,技术走到了哪一步,国内外有哪些值得关注的玩家。


这是一条什么样的赛道

“实验室自动化”(lab automation)通常指用设备与软件替代实验流程中的重复性人工操作,比如移液、搬运、存储、调度与记录。

有两个边界需要澄清:它不等于科学仪器,色谱、质谱等分析设备是自动化系统的「被集成对象」;它也不等于「自动化实验室」这个整体形态—前者是设备与软件的集合,后者是以完整工作流为单位的系统,可以自建,也可以作为服务购买。

六个细分环节

沿工作流拆开,这条赛道大致包括六个环节:

•液体处理工作站:负责移液、稀释、分装等重复性操作。据Market Research Future,一套完整配置的自动化液体处理工作站通常售价15万至50万美元。

•机械臂与移动机器人:在仪器之间搬运样品与耗材,形态包括固定机械臂、轨道机器人、协作机器人和移动机器人。

•高通量筛选(HTS):以微孔板为载体的大规模自动化实验体系,是制药业应用较为广泛的自动化场景之一。

•LIMS/ELN软件:实验室信息管理系统与电子实验记录本,管样品、流程与数据。

•云实验室:研究者远程提交实验指令,由机器人与少量技术人员执行并回传数据。

•自驱动实验室(SDL):2023年《Nature Synthesis》综述将其定义为「机器学习辅助的模块化实验平台,迭代执行由算法选定的实验,以达成用户定义的目标」。它和前面几类形态最大的区别在闭环:不是执行固定流程,而是由算法解读每一轮结果,再决定下一步做什么。


市场规模

据MarketsandMarkets 2026年发布的报告,全球实验室自动化市场2025年约62.6亿美元,预计2031年增至86.2亿美元(2026–2031年复合增长率 6.6%);其中自动化工作站是最大产品品类(2025年占40.2%),药物发现是最大应用(占39.0%)。


细分中,高通量筛选的盘子更大「口径含试剂耗材」:据MarketsandMarkets,2025年约264亿美元,预计2031年达459亿美元,与实验室自动化口径有交集但不可相加。据行业文章转引Grand View Research估计,全球LIMS市场规模约20亿美元量级(2026年前后)。至于云实验室与自驱动实验室,目前尚无权威独立的市场规模统计。

据灼识咨询数据(镁伽科技港股招股书引用),中国智慧实验室自主智能体市场从2020年的11亿元增至2024年的65亿元;截止2024年,中国约14.9万家实验室中,智慧实验室占比不足 3%。

国内外格局简述

国外硬件层长期由Tecan、Hamilton、Beckman Coulter等传统设备商把持;2010年代起,云实验室与开源设备初创陆续出现,近几年则发生了一些整合与波动,2023年12月,机器人制药公司Multiply Labs宣布收购云实验室公司Strateos,2024年9月,礼来将圣地亚哥的自动化实验室Life Sciences Studio出售给英国公司 ;2025年以来的新变量,是Periodic Labs、Lila Sciences这类由顶级AI研究者创办的公司,成立不久即拿到数亿美元级融资。

国内则是另一幅图景:上市公司(晶泰控股、华大智造)、初创公司(智化科技、创材深造、镁伽科技等)与政府主导的大科学设施(深圳的合成生物大设施、国家生物制造产业创新中心)几条路线并存。

值得注意的是,企业之外,科研机构与重大科技基础设施正在成为这条赛道的重要一极,美国的A-Lab和深圳的大设施都是例子。详细情况见第三部分。


技术发展的脉络

过去:从自动分析仪到实验室机器人(1956–2000)

实验室自动化的起点在临床检验。1956年12月,Technicon展示AutoAnalyzer,可在2.5分钟内测定血液样本中尿素、糖和钙的浓度。1971年,Hamilton推出半自动注射式移液系统Digital Dilutor;1970年代末,Hamilton与Tecan联合开发的 AMICA系统,成为两家公司后来移液工作站产品线的基础。


1981年,Zymark推出Zymate 1,被实验室自动化协会(SLAS前身)的行业史记为第一个实验室机器人系统。1980年代初,日本高知医科大学的Sasaki团队建成首个全自动化临床实验室,用传送带、负责装卸分析仪的机器人加上过程控制软件,跑通了全实验室自动化(TLA)这条路线。Tecan1980年创立于瑞士,1985年推出其称为「第一个过程控制全自动移液工作站」的Sampler 500系列。

制药端,高通量筛选兴起于1980年代中后期:以辉瑞为例,其HTS从1986年每周800个化合物起步,1989年达到每周7200个,到1992年已为约40%的发现项目提供苗头化合物。软件侧,第一代LIMS于1982年以集中式小型机的形式出现,此后经历关系数据库、客户端/服务器等数代演进。至此,“自动执行固定流程”的范式基本定型,并在此后二十余年里几乎没有发生根本变化。

现在:云实验室与自驱动实验室(2012至今)

第一次变化,是把实验搬到「云」上。2012年上线的Transcriptic是第一家提供广泛自动化实验服务的商业云实验室(2019年合并为Strateos);Emerald Cloud Lab于2014年进入市场。这一模式吸引人的地方在于,研究者不必自建实验室,也能用上自动化设备。2021年,卡内基梅隆大学与ECL合作建设全球首个高校云实验室,造价约4000万美元,用户可远程调度200多台仪器。据RAND 2024年的一份报告,ECL运营着两处设施,一处在奥斯汀,约10.5万平方英尺,另一处在匹兹堡,约2万平方英尺,与CMU合作共建。2022 年《Nature》刊出云实验室专题报道,提到学术机构、初创公司与大药企正日益转向这一模式。不过结合近几年行业内的并购与业务调整来看(详见01、03部分),这门生意的可持续性,市场还在检验。

第二次变化,是让算法进入决策环。早在2009年,《Science》杂志报道的「机器人科学家Adam」已能自主生成并检验酵母功能基因组学假设。2020年《Nature》报道利物浦大学的「移动机器人化学家」:一台自由移动机器人8天自主完成688次实验,在十维变量空间内将光催化体系活性提升至初始配方的6倍;论文称这一思路为「自动化研究者,而非自动化仪器」。

2023年的A-Lab则同时展示了潜力与边界,值得多说两句。劳伦斯伯克利国家实验室与Google DeepMind合作的这一自主实验室,目标是自主合成无机粉末材料:候选目标取自Materials Project与GNoME的大规模相稳定性预测,合成配方由文献训练的自然语言模型提出,再由基于热力学的主动学习算法一轮轮优化。换句话说,语言模型进入实验决策环,其实比GPT-4驱动的系统还要早一些。17天连续运行中,A-Lab报告从58个目标中合成出41个化合物。

质疑随之而来。2024年,伦敦大学学院的Robert Palgrave、普林斯顿大学Leslie Schoop等人在PRX Energy发表正式评论,认为其中约三分之二「新化合物」实为已知无序化合物的有序变体,且AI自动完成的衍射数据精修水平不足;A-Lab通讯作者Gerbrand Ceder则回应称,论文的目标是展示自主实验室能做到什么,而非与人类专家的精修水平比较。2026年1月《自然》刊发作者更正:人工重新分析衍射数据后,确认40个报告成功案例中36个结论成立、4个不确定,并澄清「新」系指对预测平台而言是新目标,未必是科学上的新物质。这一轮“发表、质疑、更正”走下来,也给外界观察自驱动实验室的能力边界,留下了一个难得的公开样本。

大模型的加入是最近一次变量。2023年12月《自然》报道卡内基梅隆大学的Coscientist:由GPT-4驱动,结合检索、代码执行与实验自动化,在六类任务中展示了(半)自主实验能力,包括成功优化钯催化交叉偶联反应。2024年发表于《自然·机器智能》的ChemCrow则显示,为GPT-4接入化学工具集后,其在化学任务上的表现显著提升。此后这类研究明显多了起来。2025年《Chemical Science》刊出一篇系统综述,把大语言模型和自主智能体在化学中的能力与边界仔细梳理了一遍,可以看作这个方向的一次阶段性盘点。也要看到,这些工作大多仍是受控条件下的演示性实验,离日常化、规模化的研究流程还有不短的路。


学界观点:对于自动化实验室下一步的看法

2026年《Nature Reviews Chemistry》的一篇综述认为,自驱动实验室的下一阶段取决于三项相互依赖的要求:可扩展性、可泛化性,以及全谱系的实验记录;要实现这些,有赖于互操作的数据与元数据标准、模块化可集成的实验硬件,以及能在严格安全与伦理边界内运行的可信AI智能体。标准化已有实践基础:设备通信标准SiLA与分析数据标准AnIML的推广应用正在推进。

验证是另一个被反复强调的瓶颈。2026年美国橡树岭国家实验室牵头的《Toward Trustworthy Autonomous Science: A Two-Year Community Roadmap》,以一项标志性自主发现成果的更正事件作为切入点指出:产生候选发现已不再是难点,验证才是;截至目前,还没有任何系统能够端到端完成真正新颖发现,并实现实验层面的自我闭环验证。在人机关系上,2025年《Nature-Communications》的一篇立场文章主张,自驱动实验室应成为人类研究者的「协作者」,而非替代者,系统承担重复实验与数据分析,人类保留科学创造力与专业判断。


国内外典型机构与企业

国外典型机构与企业:

A-Lab(美国):前文提到的劳伦斯伯克利国家实验室自主实验室,可以看作「国家队」的代表。它不是公司,目标也不是盈利,但那17天连续运行的实验,以及之后的质疑与更正,给整个行业提供了少见的公开参照。

Opentrons(美国):2014年成立,开发开源实验室自动化机器人,主打相对低门槛的移液自动化。2021年9月完成2亿美元C轮融资(软银愿景基金2期领投)。据PitchBook数据,其累计融资约3.29亿美元,2025年12月完成2010万美元D轮。

Emerald Cloud Lab(美国):云实验室模式的代表,前身2010年创立、2016年分拆为独立公司,2014年对外提供服务;总部2023年由南旧金山迁至奥斯汀,运营奥斯汀与匹兹堡(与CMU合作)两处设施。


Automata(英国):2015年成立于伦敦,为生命科学实验室提供集成式自动化平台(LINQ)。2026年1月宣布完成4500万美元C轮融资,由Dimension领投,丹纳赫创投等参投。

Synthace(英国):2011年成立于伦敦,核心产品是无代码数字实验平台Antha,主打以软件定义实验流程。2021年11月完成3500万美元C轮融资,由维港投资与Sofinnova联合领投。

Periodic Labs(美国):2025年在旧金山成立,两位创始人来头不小:Liam Fedus是OpenAI前研究副总裁,Ekin Dogus Cubuk曾负责DeepMind的材料与化学研究,主导过GNoME。公司方向是让AI智能体直接驱动物理实验室做材料研发。2025年9月底,公司宣布完成3亿美元种子轮融资,由a16z与Felicis领投,英伟达风投等参投。


Lila Sciences(美国):2023年由知名风投Flagship Pioneering在波士顿孵化,CEO为Geoffrey von Maltzahn,首席科学家是遗传学家George Church。公司提出「科学超级智能」的概念,把生成式AI与自动化实验室打包成所谓「AI 科学工厂」,覆盖生命科学、化学与材料。融资节奏很快:2025年3月亮相时已拿到2亿美元种子轮,9月完成2.35亿美元A轮,10月又追加1.15亿美元,累计融资约5.5亿美元。


国内典型机构与企业:

深圳的「生物铸造工厂」与「国创中心」:政府主导的重大科技基础设施。光明科学城的合成生物研究重大科技基础设施投资7.22亿元,由深圳先进院牵头建设、华大生命科学研究院等参与,2024年12月正式启动运行,以30多台自动化功能岛组成“生物铸造工厂”,面向全球开放共享;同在光明的国家生物制造产业创新中心2024年启动建设,规划建设自动化生物制造平台等六大平台。


晶泰控股(2228.HK):2015年由三位MIT博士后创立,以量子物理、AI与机器人结合的方式做药物与材料研发,2024年6月在港交所主板挂牌,为18C特专科技规则第一股,按发行价计算上市时市值约180亿港元。据公司2025年年报,全年收入8.03亿元、首次实现年度盈利,其中包含智能机器人实验室及智能服务的AI4S智慧解决方案板块收入2.65亿元,约占总收入的三分之一。

华大智造(688114.SH):国内的实验室自动化设备供应方之一,主业是基因测序仪及配套自动化设备。据公司2025年年报,全年营业收入约27.8亿元,其中智能自动化(GLI)业务收入约2.5亿元,同比下降约32%;年报提到,公司推出的AIO建库测序一体机与PrimeGen智能体,用于推动实验室从人工操作向数据驱动转变。

智化科技(武汉):从AI逆合成路线设计起家,产品线包括合成路线设计平台 ChemAIRS、实验室管理系统ChemAIOS与自动化实验室方案ChemAILAB。据湖北日报报道,公司已与辉瑞、人福医药等上百家药企开展合作。

创材深造(Deep Material):2021年成立,方向是AI加金属材料,算法模型、高通量实验室与材料数据体系全部自建,产品包括3D打印用高强铝合金、超高强钛合金等。

镁伽科技:2016年成立,定位智慧实验室与智能制造两大场景的自主智能体供应商。据招股书,其2022至2024年收入分别为4.55亿、6.63亿、9.30亿元,同期持续亏损。公司2022年完成3亿美元C轮融资;2025年6月向港交所递交上市申请,该申请于2025年12月失效,截至2026年9月初尚未上市。


结语

回到开头的问题。自动化实验室眼下仍是一个早期赛道:全球硬件盘子不过几十亿美元量级,云实验室和自驱动实验室甚至没有公认的统计口径;A-Lab的更正也提醒人们,自动化能放大实验的规模,却不能自动保证结论的可靠。

业界与学界比较一致的判断是,真正的难点在两处。一是数据闭环,要让实验数据以机器可读、可追溯的方式回到模型里去;二是标准化,设备接口和数据格式不统一,闭环就只能在单个实验室里打转。这条赛道最终能兑现多少价值,多半取决于这两件基础工作的进展,而不是某个单点突破。

对从业者和关注者来说,盯住闭环与标准化的落地节奏,或许比追某一个明星成果更实在。

—The End—


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